CN104778360A - 火工冲击数据预处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种火工冲击数据预处理方法，包括以下步骤：S1，获取离散加速度信号；S2，判断离散加速度信号是否有效，若是，则判定离散加速度信号可用，若否，则执行步骤S3；S3，对离散加速度信号进行修正，获取修正后的离散加速度信号；以及S4，进一步判断修正后的离散加速度信号是否有效，若是，则判定修正后的离散加速度信号可用，若否，则舍弃离散加速度信号。本发明的方法能够提高火工冲击信号的正确性与真实性，具有较强的工程背景，对航天器重量减轻、缓冲设计和冲击验收试验标准制定有较大的参考意义。本发明还提出一种火工冲击数据预处理系统。

Description

火工冲击数据预处理方法及系统

技术领域

本发明涉及火工冲击信号处理技术领域，尤其涉及一种火工冲击数据预处理方法及系统。

背景技术

航天器为了完成星箭分离、组合体分离以及附件展开等动作，大都采用了火工品分离装置。这些火工品引爆时对附近设备产生的火工冲击是一种剧烈的局部机械瞬态响应，表现出高频、瞬态和高量级的特点。火工冲击能够引起在航天器中对高频响应敏感的电子设备与微型机构失效，进而导致航天故障与事故的发生。

火工冲击特殊的力学环境使冲击信号检测时对传感器与采集系统的要求都很高，信号测试中存在很大困难和一定的随机性。通常由于传感器本身的谐振，数据采集系统性能不足，噪声干扰等现象的存在，使测得的信号与真实信号之间有一定的误差，这种误差在采用卷积方法求解冲击响应谱的过程中会被放大。2012年Batman在Validation of Pyroshock Data一文中总结了数据有效性问题产生的原因。

传统的冲击测试方法中将测得的冲击数据直接使用，这种开环测试方法，从源头上造成了冲击力学环境预示的不准确。因此引入闭环的数据验证方法具有重要的意义，如何判断测得信号的有效性，以及如何修正存在有效性问题的信号，是进行火工冲击试验前的重要步骤。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一方面目的在于提出一种准确度高的火工冲击数据预处理方法。

本发明第二方面实施例在于提出一种火工冲击数据预处理系统。

为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的火工冲击数据预处理方法，包括以下步 骤：S1，获取离散加速度信号；S2，判断所述离散加速度信号是否有效，若是，则判定所述离散加速度信号可用，若否，则执行步骤S3；S3，对所述离散加速度信号进行修正，获取修正后的离散加速度信号；以及S4，进一步判断所述修正后的离散加速度信号是否有效，若是，则判定所述修正后的离散加速度信号可用，若否，则舍弃所述离散加速度信号。

根据本发明实施例的火工冲击数据预处理方法，通过判断获取的离散加速度信号的有效性，并对有效性较差的信号进行修正，得到修正后的加速度信号。修正后的加速度信号在使用前需要重新有效性的验证，通过后方可使用；若修正后的加速度信号依然存在数据有效性问题，则该信号无法校正，应该舍弃。本发明实施例的方法能够提高火工冲击信号的正确性与真实性，具有较强的工程背景，对航天器重量减轻、缓冲设计和冲击验收试验标准制定有较大的参考意义。

在一些示例中，所述S2中采用零漂法和正负冲击谱法判断所述离散加速度信号是否有效。

在一些示例中，所述零漂法包括：对所述离散加速度信号进行时域数值积分，以获取速度信号与位移信号；检测所述速度信号和所述位移信号是否有零漂现象，若无，则判定所述离散加速度信号可用，若有，则判定所述离散加速度信号无效。

在一些示例中，所述时域数值积分方法包括梯形积分方法。

在一些示例中，所述正负冲击谱法包括：对所述离散加速度信号进行冲击响应谱分析，以获取正负谱；判断所述正负谱是否存在较大偏差，若否，则判定所述离散加速度信号可用，若是，则判定所述离散加速度信号无效。

在一些示例中，所述S3中采用离散小波分解法对所述离散加速度信号进行修正，包括：采用Mallet快速算法卷积将所述离散加速度信号小波分解成为一系列的频带信号，分解所述频带信号的层数/尺度直至获取低频趋势项；对所述离散加速度信号滤除所述低频趋势项，得到修正后的离散加速度信号。

在一些示例中，所述离散小波分解法包括db小波基函数。 

本发明第二方面实施例提出一种火工冲击数据预处理系统，包括：接口模块，用于获取离散加速度信号；有效性判断模块，用于判断所述离散加速度信号是否有效，若是，则判定所述离散加速度信号可用；修正模块，用于当所述有效性判断模块判定所述离散加速度信号不可用时，对所述离散加速度信号进行修正，获取修正后的离散加速度信号；以及判断模块，用于进一步判断所述修正后的离散加速度信号是否有效，若是，则判定所述修正后的离散加速度信号可用，若否，则舍弃所述离散加速度信号。

根据本发明实施例的火工冲击数据预处理系统，通过判断获取的离散加速度信号的有 效性，并对有效性较差的信号进行修正，得到修正后的加速度信号。修正后的加速度信号在使用前需要重新有效性的验证，通过后方可使用；若修正后的加速度信号依然存在数据有效性问题，则该信号无法校正，应该舍弃。本发明实施例的系统能够提高火工冲击信号的正确性与真实性，具有较强的工程背景，对航天器重量减轻、缓冲设计和冲击验收试验标准制定有较大的参考意义。

在一些示例中，所述有效性判断模块中采用零漂法和正负冲击谱法判断所述离散加速度信号是否有效。

在一些示例中，所述修正模块采用离散小波分解法对所述离散加速度信号进行修正。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的一种火工冲击数据预处理方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的一种火工冲击数据预处理方法的过程示意图；

图3是本发明一个实施例的梯形积分原理示意图；

图4是本发明一个实施例的加速度信号、一次积分得到的速度信号和两次积分得到的位移信号示意图；

图5是本发明一个实施例的Smallwood算法得到的正负冲击响应谱示意图；

图6是本发明一个实施例的离散小波分解示意图；

图7是本发明一个实施例的离散小波分解的后的信号频带示意图；

图8是本发明一个实施例选用的小波基函数db5(Daubechies小波)示意图；

图9是对本发明一个实施例原始加速度信号进行7次分解重构后得到的8组带频信号示意图；

图10是本发明一个实施例的原始信号(a)、修正后信号(b)和舍弃信号(c)示意图

图11是本发明一个实施例修正后的加速度信号、一次积分得到的速度信号和两次积分得到的位移信号示意图；

图12是本发明一个实施例被去除的低频加速度趋势项以及一次积分得到的速度信号和两次积分得到的位移信号示意图；

图13是本发明一个实施例经过零漂校正后加速度信号正负冲击响应谱示意图；

图14是本发明一个实施例的原始加速度信号与校正信号的最大冲击谱对比示意图；和

图15是根据本发明一个实施例的一种火工冲击数据预处理系统的结构框图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1，根据本发明一个实施例的一种火工冲击数据预处理方法的流程图所示，本发明第一方面实施例的火工冲击数据预处理方法包括以下步骤：

S1，获取离散加速度信号；

S2，判断离散加速度信号是否有效，若是，则判定离散加速度信号可用，若否，则执行步骤S3；

S3，对离散加速度信号进行修正，获取修正后的离散加速度信号；以及

S4，进一步判断修正后的离散加速度信号是否有效，若是，则判定修正后的离散加速度信号可用，若否，则舍弃离散加速度信号。

结合图2，本发明实施例的火工冲击数据预处理方法的具体实施过程描述如下:

步骤S1，获取离散加速度信号。

本发明实施例的数据预处理对象主要是火工冲击数据，利用加速度传感器获取加速度信号。通过对加速度信号进行采样获取离散加速度信号。采样率为冲击带宽的10倍以上，采样形式为等间隔采样。

步骤S2，判断离散加速度信号是否有效，若是，则判定离散加速度信号可用，若否，则执行步骤S3。

具体的，在本发明的一个实施例中，采用零漂法和正负冲击谱法来判定离散加速度信号是否有效。

(a)零漂法包括： 

(1)对离散加速度信号进行时域数值积分，以获取速度信号与位移信号；

具体的，火工冲击在时间上具有瞬态特性，持续时间一般小于20ms，因此处理离散加速度信号时，通常认为测点相对静止，即加速度、速度、位移都收敛于0。零漂法就是利用这一点进行数据有效性验证，将获取的离散加速度信号经过两次时域数值积分，得到速度信号和位移信号。特别的，必须采用时域数值积分方法以突出零漂现象。

在本发明的一个实施例中，时域数值积分方法采用的是梯形积分法，初始条件为零，积分公式如(1)和(2)所示，累加梯形公式的基本理论为：

①将信号根据离散时间序列分割为n-1个子区间；

②如图3所示在子区域内采用梯形公式(1)进行一次数值积分，采用一次函数线性逼近原始的离散加速度信号；

③根据公式(2)对各子区间的积分结果求和，估算积分后的序列

$\mathrm{Tn}={\∫}_{\mathrm{nT}}^{(n+1)T}f\left(t\right)\mathrm{dt}\≈\frac{T}{2}\{f\left(\mathrm{nT}\right)+f[(n+1)T\left]\right\}---\left(1\right)$

${\∫}_0^{t}f\left(t\right)\mathrm{dt}=\underset{n=0}{\overset{\mathrm{nT}=t}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Tn}---\left(2\right)$

式中f(t)为以时间为自变量的加速度信号，T为区间长度，Tn为区间[nT，(n+1)T]内的数值积分。

例如，图4所示，某试验实测火工冲击加速度信号(a)，经过一次积分得到速度信号 (b)，两次积分得到位移信号(c)。

(2)检测速度信号和位移信号是否有零漂现象，若无，则判定离散加速度信号可用，若有，则判定离散加速度信号无效。

若速度信号或位移信号不收敛于0即发生零漂，则可判定该组数据(离散加速度信号)有效性存在问题。

例如图4所示，积分后的信号出现了较明显的零漂现象，这说明信号中存在均值非零的误差信号，离散加速度信号的有效性存在问题。即该组离散加速度信号数据不可用(或修正后可用)。

(b)正负冲击谱法包括：

(1)对离散加速度信号进行冲击响应谱分析，以获取正负谱；

如图5的正负冲击谱法所示，为了适应火工冲击信号的带宽，响应谱算法采用Smallwood数字滤波算法，迭代公式为(3)，具体的技术细节可以参考标准资料【ISO 18431-4:2007-Mechanical vibration and shock--Signal processing--Part 4:Shock-response spectrum analysis】，这里不再赘述。特别的，若Smallwood法分析误差较大，也可采用Kelly&Richman方法。

y_n＝β₀·x_n+β₁·x_n-1+β₂·x_n-2-α₁·y_n-1-α₂·y_n-2    (3)

(2)判断述正负谱是否存在较大偏差，若否，则判定离散加速度信号可用，若是，则判定离散加速度信号无效。

例如，图5中通过观察计算得到的冲击谱可知，正负冲击谱在低频区完全不能够匹配，可见该离散加速度信号数据存在有效性问题。

步骤S3，对离散加速度信号进行修正，获取修正后的离散加速度信号。

具体的，在本发明的一个实施例中，对于上述步骤S2判定的不可用的离散加速度信号采用离散小波分解法进行修正。具体包括：

(1)采用Mallet快速算法卷积将离散加速度信号小波分解成为一系列的频带信号，分解频带信号的层数/尺度直至获取低频趋势项。

在本发明的一个实施例中，离散小波分解法包括db小波基函数。图5为离散小波分解的示意图，利用Db小波均值为零的特性，可以保证分解后的高频信号全局积分收敛于零。

离散小波分解相当于一组高低通滤波器，每一层的高频信号都被保留，而低频信号被继续分解，直到得到的低频趋势项中不再包含冲击频带为止。公式(4)为离散小波分解的描述，

$T_{m,n}^{\mathrm{wav}}={a_0}^{-m/2}\∫\mathrm{dtf}\left(t\right)\text{\ψ}({a_0}^{-m}t-n{b}_0)---\left(4\right)$

式中m为尺度因子，可以通过缩放基函数的尺度描述信号的频域特性。n为时间因子，通过平移基函数描述信号的时域特性；a₀为要求的小波系数。通过(4)可以看出，离散小波分解比傅里叶分解多了一个时间因子n，因此能够更好地描述瞬态误差信号。

根据图7所示的小波分解频带图可以进行各频带带宽计算，公式为f_an＝f_dn＝f_c×f_s/2ⁿ，式中f_an为第n层的低频信号，f_dn为第n层的高频信号，f_c为小波基函数的中心频率，f_s为采样率。图8为小波基函数db5的示意图，该基函数的特点为：消失矩为5，具有紧支性和正交性，能够运用Mallet算法快速求解小波系数，其小波中心频率f_c＝0.6667Hz。由于一般火工冲击主频带为1000～3000Hz，本发明的实施例确保滤除的趋势项为小于500Hz的信号。在图9中对原始信号进行了7次离散小波分解，a7的截止频率为f_a7＝f_c×f_s/2⁷＝520.85Hz，通频带为(0-520Hz)，远低于火工冲击的主要频率(1000-3000HZ)。通过图8也可以直观地看出第7次分解得到的低频信号a7已经基本不含高频稳态成分，属于瞬态冲击噪声信号。

(2)对离散加速度信号滤除所述低频趋势项，得到修正后的离散加速度信号。

图10中，(a)为试验实测加速度信号；(b)为图9所有低频信号的线性叠加，即 作为修正后的信号；(c)为从原始信号中去除的低频趋势项，即a7。再将修正后的信号两次积分，得到图11所示的修正后速度与位移信号，可以明显看出，零漂现象已经消除。

图12为将低频趋势项积分得到的速度与位移谱，对比图4可以发现，原始的离散加速度信号的积分零漂数量级与分离出的误差积分信号数量级基本一致，说明分离出的信号a7中包含导致零漂现象产生的真实误差信号。图13为修正后信号的冲击响应谱，算法依然采用Smallwood算法，得到的正负冲击谱在整个频段[2-10000Hz]内都具有一致性，说明数据修正是成功的。与图5的原始的离散加速度信号冲击谱相比峰值与频率变化不大，说明该试验数据的误差主要是低频误差。图14为修正前后的冲击响应谱对比，通过该图可以看出如果不进行参数修正，测得的冲击响应(尤其是低频冲击)要大于实际的冲击响应。如果按照原来的数据进行结构设计，必然会增加不必要的机械冗余。

步骤S4，进一步判断修正后的离散加速度信号是否有效，若是，则判定修正后的离散加速度信号可用，若否，则舍弃离散加速度信号。

进一步的，修正后的离散加速度信号在使用前需要重新通过零有效性验证，通过后方 可使用；若修正后的离散加速度信号依然存在数据有效性问题，则该信号无法修正，应该舍弃。本发明实施例的方法将步骤S3中获取的修正后的离散加速度信号进行有效性判断，方法同步骤S2部分相同，可参考相应部分，这里不再赘述。若修正后的离散加速度信号既无零漂又无正负冲击谱不一致现象，说明修正后的离散加速度信号可用；若依然存在数据有效性问题，说明该离散加速度信号已经超出本发明实施例的修正范围，应该舍弃。

根据本发明实施例的火工冲击数据预处理方法，通过判断获取的离散加速度信号的有效性，并对有效性较差的信号进行修正，得到修正后的加速度信号。修正后的加速度信号在使用前需要重新有效性的验证，通过后方可使用；若修正后的加速度信号依然存在数据有效性问题，则该信号无法校正，应该舍弃。本发明实施例的方法能够提高火工冲击信号的正确性与真实性，具有较强的工程背景，对航天器重量减轻、缓冲设计和冲击验收试验标准制定有较大的参考意义。

本发明第二方面实施例的火工冲击数据预处理系统100，如图15所示，包括：接口模块101、有效性判断模块102、修正模块103和判断模块104。

接口模块101用于获取离散加速度信号。有效性判断模块102用于判断离散加速度信号是否有效，若是，则判定离散加速度信号可用。修正模块103用于当有效性判断模块102判定离散加速度信号不可用时，对离散加速度信号进行修正，获取修正后的离散加速度信号。判断模块104用于进一步判断修正后的离散加速度信号是否有效，若是，则判定修正后的离散加速度信号可用，若否，则舍弃离散加速度信号。

需要说明的是，本发明实施例的火工冲击数据预处理系统100的具体实现方式与方法部分的具体实现方式类似，请参见方法部分的描述，为了减少冗余，此处不做赘述。

根据本发明实施例的火工冲击数据预处理系统，通过判断获取的离散加速度信号的有效性，并对有效性较差的信号进行修正，得到修正后的加速度信号。修正后的加速度信号在使用前需要重新有效性的验证，通过后方可使用；若修正后的加速度信号依然存在数据有效性问题，则该信号无法校正，应该舍弃。本发明实施例的系统能够提高火工冲击信号的正确性与真实性，具有较强的工程背景，对航天器重量减轻、缓冲设计和冲击验收试验标准制定有较大的参考意义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领 域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种火工冲击数据预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，获取离散加速度信号；

S2，判断所述离散加速度信号是否有效，若是，则判定所述离散加速度信号可用，若否，则执行步骤S3；

S3，对所述离散加速度信号进行修正，获取修正后的离散加速度信号；以及

S4，进一步判断所述修正后的离散加速度信号是否有效，若是，则判定所述修正后的离散加速度信号可用，若否，则舍弃所述离散加速度信号。

2.如权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，所述S2中采用零漂法和正负冲击谱法判断所述离散加速度信号是否有效。

3.如权利要求2所述的预处理方法，其特征在于，所述零漂法包括：

对所述离散加速度信号进行时域数值积分，以获取速度信号与位移信号；

检测所述速度信号和所述位移信号是否有零漂现象，若无，则判定所述离散加速度信号可用，若有，则判定所述离散加速度信号无效。

4.如权利要求3所述的预处理方法，其特征在于，所述时域数值积分方法包括梯形积分方法。

5.如权利要求2所述的预处理方法，其特征在于，所述正负冲击谱法包括：

对所述离散加速度信号进行冲击响应谱分析，以获取正负谱；

判断所述正负谱是否存在较大偏差，若否，则判定所述离散加速度信号可用，若是，则判定所述离散加速度信号无效。

6.如权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，所述S3中采用离散小波分解法对所述离散加速度信号进行修正，包括：

采用Mallet快速算法卷积将所述离散加速度信号小波分解成为一系列的频带信号，分解所述频带信号的层数/尺度直至获取低频趋势项；

对所述离散加速度信号滤除所述低频趋势项，得到修正后的离散加速度信号。

7.如权利要求6所述的预处理方法，其特征在于，所述离散小波分解法包括db小波基函数。

8.一种火工冲击数据预处理系统，其特征在于，包括：

接口模块，用于获取离散加速度信号；

有效性判断模块，用于判断所述离散加速度信号是否有效，若是，则判定所述离散加速度信号可用；

修正模块，用于当所述有效性判断模块判定所述离散加速度信号不可用时，对所述离散加速度信号进行修正，获取修正后的离散加速度信号；以及

判断模块，用于进一步判断所述修正后的离散加速度信号是否有效，若是，则判定所述修正后的离散加速度信号可用，若否，则舍弃所述离散加速度信号。

9.如权利要求8所述的预处理系统，其特征在于，所述有效性判断模块中采用零漂法和正负冲击谱法判断所述离散加速度信号是否有效。

10.如权利要求8所述的预处理系统，其特征在于，所述修正模块采用离散小波分解法对所述离散加速度信号进行修正。